Sulthoni Catur Hariadi
INTRODUCTION
Prinsip Kerja PLTGU
PLTGU pada dasarnya merupakan penggabungan antara PLTG (Turbin Gas) dan PLTU (Turbin Uap). Turbin gas merupakan pembangkit yang mendapatkan energi panas dari proses pembakaran antara gas yang sudah dipanaskan dan udara terkompresi (bertekanan). Dari hasil pembakaran tersebut, gas buang yang masuk ke turbin memiliki temperatur sekitar 1100˚C yang selanjutnya akan melewati dan memutar sudu turbin yang sudah seporos dengan rotor generator sehingga generator turbin gas dapat menghasilkan listrik.
Dikarenakan gas buang yang sudah melewati sudu turbin masih memiliki temperature yang cukup panas sekitar 600*C, panas tersebut masih dapat dimanfaatkan untuk memanaskan air sehingga dapat digunakan untuk memutar turbin uap. Tempat untuk memanaskan air buangan dari turbin gas dikenal dengan istilah HRSG (Heat Recovery Steam Generator). PLTU atau Turbin Uap memanfaatkan energi panas dan uap dari gas buang hasil pembakaran di PLTG untuk memanaskan air di HRSG (Heat Recovery Steam Generator), hingga menjadi uap jenuh kering. Uap jenuh kering inilah yang akan digunakan untuk memutar sudu (baling-baling). Ada beberapa tingkatan uap jenuh kering (superheated steam), yaitu LP (Low Pressure), IP (Intermediate Pressure), dan HP (High Pressure). Uap yang telah melewati Turbin Uap akan didinginkan dengan air laut di ingwall dan berubah fasa dari gas menjadi cair.
Sama halnya dengan PLTU, bahan bakar PLTG bisa berwujud cair (BBM) maupun gas (gas alam). Penggunaan bahan bakar menentukan tingkat efisiensi pembakaran dan prosesnya. Pada PLTGU Priok, hanya Blok 1 dan 2 yang diijinkan menggunakan HSD (High Speed Diesel) atau BBM dan hanya pada kondisi -kondisi tertentu.
Siklus PLTGU
Siklus PLTGU terdiri dari gabungan siklus PLTG dan siklus PLTU. Siklus PLTG menerapkan siklus Brayton, sedangkan siklus PLTU menerapkan siklus ideal Rankine seperti gambar berikut :
Siklus Brayton
a. Langkah 1-2 : Udara luar dihisap dan ditekan di dalam kompresor, menghasilkan udara bertekanan (langkah kompresi)
b. Langkah 2-3 : Udara bertekanan dari kompresor dicampur dengan bahan bakar, terjadi reaksi pembakaran yang menghasilkan gas panas (langkah pemberian panas)
c. Langkah 3-4 : Gas panas hasil pembakaran dialirkan untuk memutar turbin (langkah ekspansi)
d. Langkah 4-1 : Gas panas dari turbin dibuang ke udara luar (langkah pembuangan)
Siklus Rankine
a. E – A : Kompresi isentropy, dimana nilai isentropy konstan, diikuti kenaikan pressure dan temperature akibat kompresi fluida. Peristiwa ini terjadi pada suplai air pengisi steam drum melalui pompa BFP ( Boiler Feed Pump )
b. A – B : Isobar dan isothermal, dimana tidak ada perubahan ( konstan ) pressure dan temperature fluida, yaitu kondisi ini menggambarkan adanya proses evaporasi fluida. Proses evaporasi terjadi akibat adanya peristiwa penyerapan panas laten fluida ( latent heat : panas yang dibutuhkan untuk mengubah fase fluida cair menjadi uap kering / dry steam ). Peristiwa ini terjadi pada pipa boiler ( wall tube dan wing wall evaporasi )
c. B – C : isobar ( tekanan konstan ), bisa dilihat kurva P – V ( pressure – volume ) dari siklus rankine di atas
d. C – D : isentropy , perubahan nilai entropi fluida konstan, peristiwa ini terjadi pada exhaust steam yang menuju ke kondensor. Tentunya nilai entropy sebenarnya tidaklah sama karena sifat exhaust steam tersebut sudah terkategori saturated steam. Ditambah adanya pemanfaatan panas exhaust steam untuk memanaskan air pengisi drum sehingga nilai entropi mengalami penurunan.
e. D – E : isothermal, yaitu penyerapan panas laten ( latent heat ) sehingga fluida uap terkondensasi menjadi air kondensat dan tertampung pada hot well condenser.
Water Balance System
Dalam konteks Pembangkit Listrik Tenaga Gas Uap (PLTGU), istilah "water balance" mengacu pada perencanaan dan manajemen penggunaan air dalam operasi PLTGU. Air digunakan dalam PLTGU dalam beberapa tahap proses, termasuk dalam sistem pendingin, pembentukan uap, dan pemurnian. Air digunakan dalam PLTGU dalam beberapa tahap proses, termasuk dalam sistem pendingin, pembentukan uap, dan pemurnian.
Dalam sebuah water balance system di PLTGU terdapat beberapa proses seperti yang terlihat pada gambar di bawah yang menunjukkan alur water balance pada block 3 dan 4 di PT PLN Indonesia Power Priok PGU
Proses pertama dari water balance adalah proses desalinasi yang terdapat pada desalination plant. Desalinasi adalah proses penghilangan garam dan mineral dari air laut atau air asin lainnya, sehingga menghasilkan air tawar yang dapat digunakan untuk berbagai keperluan, termasuk dalam pembangkit listrik tenaga gas uap (PLTGU). Air yang telah melalui proses ini nantinya akan dipergunakan untuk sistem pengaman kebakaran dan juga akan diproses lebih lanjut dalam demineralized plant. Sisa air laut yang telah melewati desalination plant akan dibuang langsung ke outfall melalui pompa brine blowdown.
Proses berikutnya adalah proses demineralisasi. Proses demineralisasi adalah proses penghilangan mineral dan garam dari air lanjutan dari desalination plant, sehingga menghasilkan air yang sangat murni atau "demineralized water." Demineralisasi diperlukan untuk menghasilkan air murni yang akan digunakan dalam berbagai aspek operasional seperti pemasukan boiler, sistem pendingin, atau proses lain yang membutuhkan air berkualitas tinggi. Air yang telah dimurnikan kemudian dialirkan menuju Make Up Water Tank untuk kemudian dialirkan ke Gas Turbine, Condenser, Closed Cooling Water System, dan HSD Oil Treatment System.
PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKRO HIDRO
PLTMH adalah singkatan dari Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro. Ini merujuk kepada pembangkit listrik yang menggunakan energi kinetik air sungai atau aliran air kecil lainnya untuk menghasilkan listrik. Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) terdiri dari beberapa komponen utama yang bekerja bersama-sama untuk menghasilkan listrik dari energi kinetik air aliran sungai atau aliran air kecil. Berikut adalah beberapa komponen kunci yang terdapat dalam PLTMH:
1. Saluran Air (Intake): Ini adalah tempat di mana air dari sungai atau aliran air kecil diambil untuk digunakan dalam pembangkitan listrik. Intake sering dilengkapi dengan struktur seperti parit atau pipa untuk mengarahkan aliran air ke bagian berikutnya dari sistem.
2. Ruang Penstock: Ini adalah saluran berbentuk pipa besar yang mengalirkan air dari intake ke turbin. Penstock sering ditempatkan di bawah tanah atau ditanam dalam tanah untuk memaksimalkan tekanan air dan efisiensi aliran.
3. Turbin: Air yang mengalir melalui penstock masuk ke turbin, menggerakkan sudu-sudu turbin. Turbin mengubah energi kinetik air menjadi energi mekanik.
4. Generator: Energi mekanik yang dihasilkan oleh turbin diubah menjadi energi listrik oleh generator. Generator menggunakan prinsip elektromagnetik untuk menghasilkan aliran listrik.
Proses dalam Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) melibatkan konversi energi kinetik air aliran sungai atau aliran air kecil menjadi energi listrik melalui beberapa tahap. Berikut adalah langkah-langkah umum yang terjadi dalam proses PLTMH:
1. Intake dan Penstock:Air diambil dari sungai atau aliran air kecil melalui intake.Air dialirkan melalui saluran besar yang disebut penstock, yang mengarahkan aliran air ke turbin.
2. Turbin:Aliran air yang masuk melalui penstock menggerakkan sudu-sudu turbin. Gerakan sudu-sudu turbin mengubah energi kinetik air menjadi energi mekanik rotasi.
3. Generator:Energi mekanik yang dihasilkan oleh turbin disalurkan ke generator.Di dalam generator, energi mekanik ini diubah menjadi energi listrik melalui prinsip elektromagnetik.
Seluruh proses ini berlangsung dengan mengambil energi kinetik yang terdapat dalam aliran air dan mengubahnya menjadi bentuk energi yang lebih bermanfaat, yaitu energi listrik. PLTMH adalah salah satu contoh sumber energi terbarukan yang dapat memainkan peran penting dalam menyediakan pasokan energi yang berkelanjutan dan ramah lingkungan
PLTMH OUTFALL BLOK 3 PT PLN INDONESIA POWER PRIOK PGU
PLTGU Priok Block 3 yang dikelola oleh PT PLN Indonesia Power Priok PGU memiliki Desalination Plant, yang berfungsi mengubah air laut menjadi air tawar. Pada Desalination Plant terdapat Brine Blowdown Pump yang berfungsi untuk membuang air laut yang tidak terkondensasi ke laut. Flow dan Pressure output dari Brine Blowdown Pump ini dapat dimanfaatkan untuk memutar turbin pada PLTMH sehingga dapat menghasilkan energi listrik yang dapat digunakan untuk efisiensi PS (Pemakaian Sendiri) pada PLTGU Tanjung Priok. Untuk dapat merancang PLTMH tersebut perlu diketahui spesifikasi pompa Brine Blowdown dan juga perhitungan desainnya.
SPESIFIKASI BRINE BLOWDOWN PUMP
Pada gambar di bawah ini ditunjukkan spesifikasi Brine Blowdown Pump yang berada pada Desal Plant Blok 3 PT PLN Indonesia Power Priok PGU yang memiliki kapasitas pompa sebesar 90 m^3/H dengan total head 24 m Pompa brine blowdown adalah jenis pompa Horizontal. Pompa ini adalah salah satu jenis pompa flow, dimana pompa ini mempunyai pressure rendah namun dengan kapasitas flow yang besar.
Data Spesifikasi pompa tersebut diperlukan untuk menentukan parameter-parameter piping, turbin, dan juga generator yang akan digunakan dalam perancangan PLTMH di blok 3 ini.
PIPING
Rangkaian piping perlu diperhitungkan untuk dapat mengetahui diameter, tebal, dan juga rugi-rugi yang didapat dari sistem pemipaan. Berikut ini merupakan data piping yang akan digunakan.
.
POTENSI PLTMH
Dengan menggunakan persamaan P= ρ×Q ×g×h×η total , kita dapat mengetahui potensi dari PLTMH yang akan kita rancang. Dimana,
P = Daya yang dibangkitkan (watt) ρ = Massa jenis aliran (1030 kg/m^3) Q = Debit air (0,0175 m^3/s) g = Konstanta gravitasi (9,81 m/s) h = ketinggian ( 21,428 m) η total = efisiensi total (0,72 )
Sehingga didapatkan potensi PLTMH adalah 2728,139522 watt atau 2,728139522 kW
PEMILIHAN JENIS TURBIN
Pemilihan jenis turbin harus disesuaikan dengan Head dan juga Flow rate aliran sehingga turbin dapat bekerja secara optimal. Untuk dapat menentukan jenis turbin yang akan digunakan, dapat melihat bagan berikut :
Dari perhitungan sebelumnya, dapat diketahui Head Effective yang akan dimanfaatkan adalah sebesar 21,428 m dengan flow rate aliran sebesar 0,0175 m^3/s. Atas dasar itulah maka ditentukan jenis turbin yang paling mendekati adalah jenis turbin Cross Flow.
Setelah menentukan jenis turbin yang akan kita gunakan, selanjutnya diperlukan penghitungan untuk mendapatkan parameter-parameter untuk desain dari turbin crossflow yang akan digunakan, sehingga dapat bekerja dengan optimal.
Berikut merupakan parameter-parameter dari turbin crossflow yang akan digunakan :
Generator
Dalam peranacangan ini digunakan generator dengan kapasitas 3 kW menyesuaikan potensi daya dari PLTMH. Berikut merupakan spesifikasi dari generator yang akan digunakan :
PENGGUNAAN FLOW CONTROL
Debit aliran yang digunakan untuk memutar sudu turbin PLTMH yang berasal dari discharge brine blowdown memiliki nilai yang fluktuatif tergantung dari desalination plant. Debit aliran yang tidak konstan ini dapat mengakibatkan kegagalan pada turbin PLTMH. Salah satu mode kegagalan yang sering terjadi pada turbin adalah kerusakan akibat kavitasi. Kavitasi merupakan suatu fenomena terbentuknya buih-buih uap air pada aliran air di daerah sudu turbin. Buih-buih ini bergerak dengan kecepatan dan tekanan yang tinggi dan membentur permukaan sudu turbin. Kavitasi dapat terjadi pada turbin air karena air yang melalui turbin air tidak mengalir dengan kecepatan dan tekanan yang konstan. Flow control atau pengatur aliran adalah sebuah instrumen yang akan digunakan dalam PLTMH yang berfungsi sebagai pengatur debit aliran agar tetap konstan sehingga kegagalan pada turbin akibat kavitasi dapat diminimalisir atau bahkan dihilangkan.
Bagan di atas merupakan bagan alur bagaimana sistem flow control pada PLTMH bekerja. Dalam perancangan ini, penulis membuat agar debit tetap konstan pada nilai di bawah debit discharge brine blowdown pump. Debit dijaga agar tetap konstan pada nilai 0,0175 m^3/s. Sensor yang terpasang pada pipa akan membaca debit aliran pada pipa. Ketika debit aliran kurang dari debit yang telah penulis tentukan, valve akan bergerak membuka otomatis dengan bantuan motor dc, dan ketika debit aliran kurang dari debit yang telah ditentukan, valve akan bergerak menutup hingga tercapai debit konstan 0,0175 m^3/s. Berikut merupakan rangkaian dari flow control yang disimulasikan menggunakan Tinkercad
Simulasi Flow Control dapat diakses pada link berikut : https://www.tinkercad.com/things/53njtWGoFB6-pressure-based-flow-control/editel
PENGGUNAAN DUMMY LOAD
Agar tegangan dan frekuensi keluaran PLMTH tetap berada pada level yang baik dan tanpa membahayakan generator dan beban/peralatan yang terhubung dengannya, maka diperlukan sistem dummy load untuk menjamin beroperasinya pembangkit listrik dan beban dalam keadaan yang aman. Dengan beban dummy ini, generator seolah-olah melihat bahwa beban yang dihubungkan padanya adalah konstan meskipun sebenarnya berubah-ubah. Hubungan antara PLTMH, beban dan dummy load dapat dilihat pada Gambar
Pada gambar di atas terlihat diagram sederhana dummy load pada PLTMH dimana dummy load sejajar dengan beban utama. Dengan bantuan pengontrol beban listrik untuk mengatur beban, menjaga kualitas tegangan dan frekuensi pada beban. Prinsip kerja dummy load adalah menjaga kestabilan beban serta menjaga kualitas tegangan dan frekuensi. Pada saat beban minimum maka dummy load akan menambah beban untuk menghindari generator overspeed, tegangan lebih dan sebaliknya bila beban besar maka dummy load akan memperkecil dummy load untuk menghindari generator berjalan under speed dan under voltage. Pembuatan skema dan single line diagram dummny load pada PLTMH brine blowdown dapat dilihat pada gambar
Pada Gambar di atas terlihat keluaran generator digunakan untuk membebani Dummy load , pemanas ruangan, dan pengisian baterai 12 volt-100 Ah. beban-Beban tersebut mempunyai peranan masing-masing, di mana di dalamnya terdapat beban dummy yang memberikan beban awal dan mempertahankan nilai tegangan dan frekuensi pada saat dibebani. Sedangkan pemanas ruangan berfungsi menjaga kelembapan ruangan PLMMH untuk mencegah terjadinya pengembunan dan korosi, serta penggunaan baterai 12 VDC-100 Ah untuk penerangan jalan.
KESIMPULAN
1. Discharge Brine Blowdown Pump dapat dimanfaaatkan untuk memutar turbin dan generator pada PLTMH sehingga dapat menghasilkan listrik.
2. PLTMH Discharge Brine Blowdown Pump Block 3 Priok PGU berpotensi membangkitkan listrik sebesar 2,7 kW pada total head sebesar 21.428 m, flow rate sebesar 0,0175 m^3/H dan pada efisiensi total 72%
3. PLTMH menggunakan turbin cross flow dengan generator berkapasitas 3 kW
4.PLTMH menggunakan dummy load untuk menjaga tegangan dan frekuensi output generator tetap stabil
5.Daya keluaran PLTMH dapat dipergunakan sebagai sumber energi untuk penerangan pemakaian sendiri PT PLN Indonesia Power Priok PGU
